PEFC長寿命化のための温度・含水場計測と膜分子構造分析に基づく煙劣化機構解明

基于温湿度场测量和膜分子结构分析阐明烟气劣化机理，延长PEFC寿命

基本信息

批准号：
15686010
负责人：
伏信一慶
金额：
$ 18.64万
依托单位：
Tokyo Institute of Technology
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Young Scientists (A)
财政年份：
2003
资助国家：
日本
起止时间：
2003 至 2005
项目状态：
已结题

来源：
https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-15686010/
关键词：
固体高分子形燃料電池劣化高分子膜触媒 MEA 計測

项目摘要

PEFC動作時の固体高分子膜温度・含水場を計測し、運転後の膜の分子構造分析との比較検討により、膜劣化機構の解明を図ることが本研究の目的である。PEFCの開発は、効率・コスト・耐久性・寿命のそれぞれで革新が必要な段階にあり、その一つが、電解質である固体高分子膜の高耐久性・長寿命化であるが、実は未だ膜劣化機構自体が明確でなく、高耐久性、長寿命化を目指す膜開発の具体的な指針が存在しない現状であり、劣化に関わる評価の概念が確立されていない。機構が明確でない大きな理由は、従来、運転中のバルクな膜面温度・含水場さえ明確でなく、劣化の進む箇所と温度・含水場の因果関係が明確でなかったことにある。もう一つは、触媒粒子と接する位置で、膜の温度が局所的に極めて高温になる可能性が指摘されるためである。触媒粒子は数nm〜数十nmのいわゆるナノ粒子である。触媒反応が発熱の主因であり、膜の低熱伝導率を勘案すると、触媒近傍に特異な高温部が存在しかつ樹脂の熱分解温度に達する可能性さえ否定できない。本年度は、昨年度のまでの検討をふまえ、MEA劣化に係る最新の研究状況調査を行う一方で、自作MEAを対象とした劣化試験を行った。この結果、負荷変動により大いに発電特性が変化すること、またその度合いが条件により異なることなどを明らかにしている。一方、マイクロマシニングにより製作したGDLにより触媒層の温度が直接可視化可能となることを実証している。これらの成果に加えて、熱伝導ベースの触媒層バルク温度予測シミュレータを開発し、触媒層の熱伝導率に対する温度上昇の傾向を予測している。

本研究的目的是通过测量PEFC运行过程中固体聚合物膜的温度和含水量，并将其与运行后膜的分子结构分析进行比较，以阐明膜的劣化机理。 PEFC的发展正处于需要在效率、成本、耐用性和寿命方面进行创新的阶段。其中之一是使作为电解质的固体聚合物膜更加耐用并具有更长的寿命和劣化机制本身。目前还不清楚，目前还没有开发以高耐久性和长寿命为目标的膜的具体指南，并且还没有建立与劣化相关的评估概念。机理不清楚的主要原因是，过去连运行时的本体膜表面温度和含水量都不清楚，劣化进展的位置与温度和含水量之间的因果关系也不清楚。另一个原因是，已经指出膜的温度在其与催化剂颗粒接触的位置处可能局部变得极高。催化剂颗粒是尺寸为数nm至数十nm的所谓纳米颗粒。催化反应是产生热量的主要原因，考虑到膜的低导热率，不能否认催化剂附近存在独特的高温区域，并且温度达到树脂的热分解温度。今年，我们在去年研究的基础上，调查了MEA劣化的最新研究现状，同时对自制的MEA进行了劣化测试。结果表明，发电特性因负载波动而发生很大变化，并且变化程度根据条件而变化。另一方面，我们已经证明，使用微加工制造的 GDL 可以直接可视化催化剂层的温度。除了这些结果之外，我们还开发了一种基于热传导的催化剂层整体温度预测模拟器，以预测相对于催化剂层热导率的温度升高趋势。